姚佳男，王星天，王斌斌，牛俊奎

（1.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特010020；2.内蒙古自治区计量测试研究院，呼和浩特010010）

水是自然环境中最丰富的资源，地球的总储水量约为1.386×1018 m3[1]，但国内外淡水资源的空间分布极为不均，可直接使用的淡水资源非常有限。空气是淡水资源存在的重要场所之一，根据估算大气中的水蒸气含量可达地表淡水总量的10 倍以上[2]。通过某些特定技术可以将空气中水分捕获，其不受地域限制，可广泛运用于海岛、沙漠等各种地区，也可运用在野外、作战等各种场合，具有极强的适用性，因此成为国内外广泛研究的热点。

目前常用的空气取水技术有空气冷凝结露法[3]、吸附解吸附方法[4-5]、水雾取水法[6-8]等。相比而言，空气冷凝结露取水法最为简单高效，环境要求较低，同时具有较强的取水能力，多用于需水量较大地区，但其在冷凝过程中需消耗巨大的能量。为此，设计了一种新型空气取水装置，利用压缩机制冷作为冷源，与空气间接换热，以STM32 作为控制核心，根据需水量设定，系统自动调节风速和水冷箱温度，进而降低空气冷凝过程的能量耗费，提高工作效率。

1 空气取水装置工作原理

空气取水装置采用制冷结露法，将湿空气的温度降至露点以下，使空气中的水蒸汽结露而获得液态水。通过水冷箱与空气间接换热，将空气从初始状态降温到露点温度以下，空气中的水在达到饱和状态后进一步冷却，使得空气中多余的水分在冷却壁面上不断析出，从而获得冷凝水，通过收集就可以达到取水的目的。

2 装置的设计

空气取水装置主要包括数据采集单元、控制单元、制冷单元和显示单元。数据采集单元主要实现相关数据的采集和处理，包括温度、湿度、风速等；控制单元的主要功能是对装置中压缩机和风机进行自动控制；制冷单元通过压缩机运行制冷，将水冷箱温度降至露点以下；显示单元可实现数据参数的实时显示、异常数据报警，以及通过触摸屏对装置进行操作等功能。空气取水装置机械结构如图1所示。

图1 空气取水装置机械结构Fig.1 Mechanical structure of air water intake device

2.1 数据采集单元

数据采集单元包括4 个传感器：1 个温度传感器、2 个温湿度传感器、1 个风速传感器。其中，在水冷箱内部布置温度传感器，进风口和出风口分别布置1 个温湿度传感器，在进风口处布置风速传感器。此外，该系统还配置有1 个具有读数功能的电子天平，用以计量单位时间内的出水量。

2.2 制冷单元

制冷单元是空气取水装置的重要组成部分，而其制冷效果直接影响着取水量的多少。由图1 可见，空气通过进风口进入冷凝通道与低温的水冷箱底部进行换热。当空气温度降至露点温度以下，水蒸气经不断凝结团聚后形成液态小水滴，再从具有斜度的水冷箱底部流下并收集，进而从出水口流出得以利用。降温后的空气通过排风口排出，完成一次换热循环。

2.3 控制单元

空气取水装置控制单元，以意法半导体（ST）公司的STM32F407 系列单片机作为控制核心。控制系统框架如图2所示，主要由温湿度传感器、风速传感器、压缩机、风机以及HMI 触控屏等装置组成。具体采用基于Cortex-M3 内核的STM32F407ZGT9 微控制器，完成控制单元核心处理器的设计，通过合理的硬件电路模块设计及软件设计，使装置达到最优的取水参数指标。

图2 控制系统总体框架Fig.2 Control system framework

该控制单元具有高可靠性、小型化、低成本等特点。控制器通过放大电路输出控制变频器以便控制风机和压缩机，并且可以接收传感器所采集的数据。HMI 触摸屏具有数据显示以及参数设置等功能。

控制系统通过温湿度数据的实时采集，保证水冷箱温度始终在露点以下，在保证装置制水效率的同时，对压缩机和风机进行合理控制，从而减少不必要的工作时间，提高效率，降低电量损耗。其控制流程如图3所示。通过温湿度数据实时采集，对压缩机和风机进行控制，保证水冷箱维持在恒定温度范围，通过修正参数来消除响应时间误差、信号误差等，实现低功耗和高效率。

图3 控制流程Fig.3 Control flow chart

2.4 显示单元

显示单元对系统所采集的数据和系统运行状态进行实时显示。通过主界面对空气取水装置的系统运行状态进行实时监控。将所采集的数据进行实时展示和存储，也可调用历史数据以曲线、表格等形式展示出来。

系统通过HMI 触摸屏将采集回来的数据实时显示，参数设定界面可以对单位时间制水量进行设定，也可对风速、温湿度等参数设置上下限值，系统具有报警功能。显示单元结构如图4所示。

图4 显示单元结构Fig.4 Display unit structure

3 试验验证

由于空气受环境影响较大，为了减小环境温、湿度对试验结果的影响，将装置放入恒温恒湿试验箱中进行6 h 持续收集试验。欲得到更好的换热效果，恒温恒湿试验箱设置空气温度为30 ℃，相对湿度为70%。装置内传感器持续记录进出口温湿度、水冷箱温度、风速，并持续计算进出口空气中含湿量差值Δd，同时对出水口收集的冷凝水进行称重记录。主要试验参数见表1。

表1 空气取水试验主要参数Tab.1 Main parameters of water extraction from air

试验过程中分别使用4 个传感器对进风口空气、出风口空气、进风口风速、水冷箱温度进行实时监测。整个试验过程中，进出口空气中含湿量差值Δd 变化情况如图5所示。

图5 装置试验结果Fig.5 Device test results

结果表明，空气取水装置整体效果比较理想。试验从系统将水冷箱温度降至露点开始计算，初始阶段的含水量差值Δd 变化较大，主要是由于初始阶段Δd 随水冷箱温度和风速调控变化较大；中间阶段Δd 波动逐渐减小，是由于随着温度的降低，水冷箱温度和风速对Δd 影响逐渐降低；最后阶段系统通过设定的制水量，调节水冷箱和风速至最优工况下工作，降低系统功耗。

4 结语

所设计的空气取水装置以STM32 微控制器为核心，利用压缩机制冷作为冷源，通过调节风速和水冷箱温度，在保证制水量的同时，使之在最优工况下工作，减少了电能损耗，提高了制水效率。通过搭建试验台，进行相关的试验验证，试验结果理想，取水效果良好，从而印证了该装置设计的可行性，对空气取水装置的研究具有重要意义。